公路桥梁基桩检测中超声波透射法的运用研究

欧活谊

（广东交粤工程检测有限公司,广东 广州 510520）

0 引言

公路桥梁工程施工规模大、周期长、条件苛刻，桩基工程易出现质量与安全隐患，对工程后续施工影响大，也会影响工程整体质量。因此，严格检验基桩质量是公路桥梁工程建设中检验与质量控制的关键工作之一。超声波透射法则是一种具有技术先进、使用简便、可靠性高、精度高等优势的新型检测方法，其能够检测特定位置，快速确定基桩缺陷，提高检测的精度、效率。但超声波透射法实际应用中有着较多特殊要求，需要规范掌握方法原理、应用过程，保证检测结果的客观性与准确性。

1 超声波透射法简述

1.1 原理

超声波透射法属于超声波检测法的一种，在应用中，会在基桩中放置声测管道与声波发射探针、接收探针，并需要利用清水填充管道，将其充当为耦合介质；先由探测器发射出超声波脉冲，探测待测桩体后，由接收机输出探测频率、波形频谱、波幅等信息，经过转换后可以确定离析、蜂窝等质量缺陷及其位置，进而从整体评估探测桩体的均匀程度与整体强度[1]。注意声波透射法仅可以推测混凝土强度。

1.2 类型

按照发射和接收换能器高度变化与变换程度，可以将超声波透射法划分为三种类型。

1.2.1 平测法

是指发射和接收换能装置处于相同高度，上、下相邻两测点的间距不应大于250 mm 并随时校正，当桩基在垂直方向上有缺陷及程度可以判断，但基桩水平方向上出现的问题无法判断。所以，可以联合斜测对水平出现的误差进行补偿。

1.2.2 斜测法

是指发射和接收换能装置处于不同高度，但按照固定的高程差值移动。该方法应用中高程差越大基桩侧向的误差越大，主要因测量期间受讯号的影响，导致测量结果严重失真。所以，为了避免准确性的影响，需要结合确定的高程差来检测。

1.2.3 扇形扫测法

扇形扫测法是指检测中一个换能器固定在某一高度位置，另一个换能器逐点移动，由于测点之间有一定距离，使测量线路形成扇面形状。有时候可以利用扇形扫测来预防换能器过于起落频繁，从而影响桩顶、桩底等位置无法采用斜测法检测；且也用于核查与判定可能存在的异常情况。

2 公路桥梁基桩检测中超声波透射法的运用

2.1 准备工作

2.1.1 声测管预埋

当桩径<1 m 时，安装二根管；当1 m ≤桩径≤1.6 m 时，安装三根管；当1.6 m<桩径<2.5 m 时，安装四根管；当桩径≥2.5 m 时，声测管的数量应增加。声测管应采用金属管，壁厚不应小于2 mm，其内径应比换能器外径大，不小于15 mm，金属管宜采用螺纹连接或套管焊接等工艺，且不渗漏声测管应牢固焊接或绑扎在钢筋笼内侧捆扎声测管，管口应高出桩顶一部分（≥300 mm）；声测管之间保持平行，垂直于地面；布置结束后，疏通声测管，将上下两端封闭[2]。

2.1.2 仪器、设备检查

仪器检测系统包括径向换能器、发射、接收、放大、采集、处理、显示、存储等集合于一身的完整设备。检测期间需在检测前提前做好检查，确认连通电源后仪器、设备的运行状态，确保正常工作、性能稳定。同时，针对检测期间信号传输延迟、谐波多等问题，需要提前采取控制措施，并矫正精密仪器，为检测高效、可靠地进行创造稳定的硬件基础。

2.2 检测过程

在声测管内安装接收换能器，进行简单试验，保证换能器能够正常上升与下降；根据检测需要设置测量设备参数，确保接收高信噪比的数据；调整换能器高度，声波发射与接收换能器应处于相同标高位置或保持固定高差同步升降，测点间距不宜超过250 mm，其累计相对高差不应大于20 mm；启动仪器后标定超声波检测仪发射至接收的系统延迟时间t0，然后找出仪器显示的首波，测量声速、波形、波幅、主频等参数并保存；每次测量结束后，需要重复试验判断测量精度，重复试验范围控制在10%~20%内，并控制声时相对标准差在5%以内、频率相对标准差在10%以内，但发现振幅或声时存在明显异常时必须进行重复试验[3]。有时候可用4 种检测手段来测定声速和波幅异常的部位，从而确定桩身混凝土缺陷的位置、大小和严重程度。

2.3 结果判别

2.3.1 桩身完整性判别

基于检测中获取的数据对基桩完整性进行评估。期间需要参考声速临界值、PSD 判据值、波幅临界值、实测波形等判断准则，结合桩型、地质情况、成桩工艺、实测波形、声波参量、技术规程等因素，立足整体综合判定。基身完整性分为4 个等级：

（1）Ⅰ类桩：完整的桩身。

（2）Ⅱ类桩：基本完整的桩身。

（3）Ⅲ类桩：有明显缺陷的桩身。

（4）Ⅳ类桩：有严重缺陷的桩身。

2.3.2 混凝土质量判定

基于实测中获得的声波参量、深度不同测点的波形特点推测基桩混凝土强度，评估基桩整体质量。

（1）声波参量判定依据如下：①声时均匀、无突变，波幅无大衰减，波形正常，表示质量完好；②声时增大，波幅有衰减，波形畸变，表示混凝土内部有离析现象；③声时显著增大，波幅明显衰减，波形严重畸变，表示混凝土内部有断裂现象。

（2）波形判定依据如下：①桩身完整时波形正常，相对典型，声时曲线呈现出一条平稳直线，无明显转折，波动也无明显变化，更无异常下降；②检测出分离桩时波形会出现波浪，但波形畸变幅度小。当基桩内部出现大量砂粒或孔洞时，超声波信号声场强度会有所提高，与正常相差10%~20%左右，且有明显的衰减；③检测出基桩破裂时波形也会出现波浪，但波形畸变幅度大。基桩局部出现断裂时，声波在传输时会出现明显的峰值，超过正常范围30%左右，且幅度也呈现明显下降趋势。据以往试验经验总结，遇砂石层时振幅衰减幅度范围在50%~100%，遇泥沙夹层时振幅衰减幅度在80%~100%，声波呈一条直线。

3 实例分析

3.1 工程概况

某在建的一级公路兼容市政道路改造项目，施工段内包括公路、桥梁、下穿隧道等多类型工程施工。施工区域地势情况复杂、桥梁跨径大，要求桩基承载力大，设计桩基为端承灌注桩，为确保桩基施工质量与完整信息，该项目部分大桩径桩基采用超声波透射法检测桩基完整性。

3.2 检测过程

该项目桥桩径为1.5 m、1.8 m 和2.0 m，需安装3 或4 根声测管，分别编号声测管A、B、C、D 或1、2、3、4，检测采用检测仪器采用武汉中岩科技RSM-SY7、武汉岩海RS-ST06D（T）跨孔超声波检测仪，同时结合抽芯综合判断完整性。

3.3 结果分析

3.3.1 Ⅰ类基桩

编号Z18-1基桩为端承桩（如图1所示），桩长37.00 m、设计强度为C30、桩径1 500 mm，测得波速平均值为4.462 km/s，波幅平均值为97.1 dB。与临界值相比，声测剖面结果显示声速值与波幅值均未低于临界值，按照规范评定标准可以初步确定为Ⅰ类基桩。同时，检测中采用仪器逐一激发测点，随着测点高度的增加，声速、PSD值等声学参数也会发生变化，但对数值模拟结果进行综合分析后发现，基桩检测剖面的声学参数均处于正常范围内，无异常情况，表示桩身整体完整、波形无异常[4]。最终判定为Ⅰ类基桩。

图1 Z18-1 桩基超声波检测结果示意图

3.3.2 Ⅱ类基桩

编号Z20-1基桩为端承桩（如图2所示），桩长41.00 m、设计强度为C30、桩径1 500 mm，测得波速平均值为4.367 km/s，波幅平均值为106.77 dB。三个剖面检测结果显示，其中检测桩顶标高以下5.20~5.60 m 深度范围内局部混凝土存在轻度缺陷，一个剖面存在声速与波幅异常点，多个剖面存在波幅异常点，其他剖面均无异常。根据技术规程判别要求，最终判定为Ⅱ类基桩。

图2 Z20-1 桩基超声波检测结果示意图

3.3.3 超声波检测结合抽芯综合判定Ⅱ类基桩

编号Y19-1 基桩为端承桩（如图3 所示），桩长43.00 m、设计强度为C30、桩径2 000 mm，测得波速平均值为4.356 km/s，波幅平均值为108.24 dB。6 个剖面检测结果显示，其中检测桩顶标高以下1.20~3.10 m 深度范围内局部混凝土存在轻度缺陷，3 个剖面存在声速与波幅异常点，病害集中在2 号声测管附近，多个剖面存在波幅异常点，PSD 图显示明显缺陷，其他剖面均无异常。根据技术规程判别要求，可判定为Ⅲ类基桩；抽芯验证在约1.3 m 左右位置存在局部蜂窝。经分析可能在灌注完成后拔取钢护筒的时候对混凝土扰动造成。经对蜂窝注浆处理，最终结合超声波检测与抽芯结果对芯样完整性判断，此桩基判为Ⅱ类基桩。

图3 Y19-1 桩基超声波与抽芯检测结果示意图

3.3.4 超声波检测结合抽芯综合判定Ⅱ类基桩

编号Y20-3 基桩为端承桩（如图4 所示），桩长34.50 m、设计强度为C30、桩径1 800 mm，测得波速平均值为4.443 km/s，波幅平均值为106.79 dB。六个剖面检测结果显示，其中检测桩顶标高以下34.4~34.5 m 深度范围内局部混凝土存在轻度缺陷，五个剖面存在声速与波幅异常点，PSD 图显示缺陷明显。根据技术规程判别要求，可判定为Ⅲ类基桩；抽芯验证在约34.4 m 桩底左右位置存在局部沉渣或结合面不良。经调查，清孔施工结束后，未能及时灌桩，导致孔底出现泥浆沉淀情况，增加沉渣厚度。由于基桩属于端承桩，对桩底沉渣厚度要求较为严格，出现沉渣问题必然会对桩身与底部岩石之间的连接产生负面影响，导致基桩承载能力下降[5]，所以必须对桩底注浆处理，结合超声波检测与抽芯结果对芯样完整性判断，此桩基判为Ⅱ类基桩。

图4 Y20-3 桩基超声波与抽芯检测结果示意图

4 结语

综上所述，超声波透射法是一种能够判定与评估基桩完整性、质量、整体安全性的无损检测技术，其操作方便、原理简单、精准度高。但在应用过程中，需掌握技术规范要求以及方法原理，了解不同类型方法的适用条件，减少操作上的失误，且严格按照判定依据分析结果，必要时结合低应变反射波法、抽芯验证法和孔内摄像法等综合评估基桩情况，及时发现质量与安全缺陷，避免在公路桥梁工程建设中造成不可预估的危害和无法挽回的损失。